第四章+离子注入72.ppt

1、集成电路制造技术 Manufacturing Technology of IC,School of Microelectronics Xidian University 2012.10,第四章 离子注入(Ion Implantation),1954年，Bell Lab. ，Shockley 提出； 最早应用于原子物理和核物理研究； 1970s中期引入半导体制造领域. 应用：CMOS工艺的阱，源、漏，调整VT的沟道掺杂，防止寄生沟道的沟道隔断，特别是浅结。 定义:将带电的、具有能量的粒子入射到衬底中 可以独立控制杂质分布(离子能量)和杂质浓度(离子流密度和注入时间) 各向异性掺杂 容易获得高浓度

2、掺杂(特别是重杂质原子,如P和As等)。,扩散与注入的比较,离子注入2步骤： 离子注入和退火再分布。离子注入通过高能离子束轰击硅片表面，掺杂窗口处，杂质离子被注入硅本体，其他部位，杂质离子被保护层屏蔽，完成选择掺杂。杂质离子在一定位置形成一定分布。离子注入的深度(平均射程)较浅且浓度较大，必须重新再分布。掺杂深度由注入杂质离子能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。,离子注入控制,离子束流密度和注入时间控制杂质浓度 （注入离子剂量） 离子能量控制结深 杂质分布各向异性,高能粒子撞击导致硅晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，离子注入后要退火，注入杂质数量不同，退火温度在450950，

3、高掺杂退火温度高。 退火同时，掺入杂质向硅体内再分布。如需要，还要进行后续高温处理以获得所需的结深和分布。 离子注入技术掺杂浓度控制精确、位置准确等优点，正取代热扩散掺杂技术，成为VLSI掺杂主流。,第四章 离子注入,特点: 注入温度低:对Si,室温; 对GaAs,400。避免了 高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。 掺杂数目完全受控:大面积均匀性，同一平面杂质均匀性和重复性1(高浓度扩散5-10)；宽范围内(5101011017cm-2)精确控制浓度分布及结深，特适合高浓度浅结器件。 无污染:注入离子纯度高，能量单一；背景真空度高(高真空10-4Pa，超高真空10-7Pa)。 横向

4、扩散小：垂直掺杂，直进性，有利于器件特征尺寸缩小。,第四章 离子注入,不受固溶度限制:各种元素均可掺杂，灵活，高浓度。 注入深度随离子能量增加而增加：通过控制能量剂量，得到各种形式的分布。特适合浅结及突变型分布。 适合化合物掺杂：高温组分变化。 (诸多优点，使离子注入成为IC工艺的主要掺杂技术) 缺点： 损伤(缺陷)较多:必须退火，晶格畸变。 成本高。,第四章 离子注入,靶：被掺杂的材料 晶体靶：Si片； 无定形靶：SiO2、Si3N4、光刻胶等。 无定形靶：可精确控制注入深度。 离子注入原理 杂质元素离化，杂质离子，强场加速，获得能量，轰击基片。依赖离子动能。 离子注入设备 离子源；质量分析

5、器；加速器；偏束板；扫描器；靶室,离子注入设备,离子注入系统的原理示意图,离子注入设备,1.离子源 作用：产生注入用的离子。 原理：杂质原子高能电子轰击(电子放电)注入离子 类型：高频，电子振荡，溅射 气态源：AsH3,PH3, B2H6,PF5,BCl3 2.磁分析器(质量分析器) 作用：将所需离子分选出来。 原理：带电离子在磁场中受洛伦磁力作用，运动轨迹 发生弯曲。,离子注入设备,3.加速器 作用：使离子获得所需的能量。 原理：利用强电场，使离子获得更大速度。 4.偏束板 作用：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。 原理：用一静电偏转板使离子束偏转5-8作用再进 入靶室。,离子注入设备,扫

6、描器 作用：使离子在整个靶片上均匀注入。 方式： 靶片静止，离子束在X,Y方向作电扫描。 粒子束在Y方向作电扫描，靶片在X方向作机械运动。 粒子束静止，靶片在X,Y方向作机械运动。 靶室(工作室):高温靶(800)，低温靶(液氮温度), 冷却靶(小于120)。,晶圆表面充电,注入离子使晶圆表面带电 排斥离子，引起离子束弯曲，造成不均匀杂质分布 电弧放电引起晶圆表面损伤 使栅氧化层击穿，降低工艺成品率 需要消除和减弱充电效应,电荷中和系统,需要提供电子中和离子； Plasma flooding system 电子枪 电子喷头,离子注入工艺,CMOS工艺应用 CMOS离子注入的工艺要求 离子注入工

7、艺的评价,CMOS工艺中离子注入要求,注入工艺: 阱注入,注入工艺: 阈值调整注入,Low Energy , Low Current,注入工艺：轻掺杂漏区 (LDD)注入,Low energy (10 keV), low current (1013/cm2),注入工艺: 源/漏(S/D)区注入,Low energy (20 keV), high current (1015/cm2),常用离子注入工艺,技术趋势,超浅结 (USJ) 绝缘体上硅 (SOI) 等离子体沉浸离子注入 (PIII),Ultra Shallow Junction (USJ),USJ (xj = 0.05 um) for s

8、ub-0.1 mm devices p-type junction, boron ion beam at extremely low energy, as low as 0.2 keV The requirements for the USJ Shallow Low sheet resistance Low contact resistance Minimal impact on channel profile Compatible with polysilicon gate,阻止机制,典型离子能量E0 ：5500keV 离子注入衬底，与晶格原子碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来 两种阻止机制

9、：核碰撞和电子碰撞,4.1 核碰撞和电子碰撞,注入离子分布-LSS模型：能量损失模型； (Lindhard，Scharff，Schiot三人创立) 核碰撞(阻挡) 注入离子与靶原子核碰撞，将能量传给靶核，离子 发生偏转，靶核产生位移。 电子碰撞(阻挡) 注入离子与靶内的自由电子和束缚电子碰撞，产生 电子空穴对。注入离子运动方向基本不变。,两种阻止机制,核阻止 与晶格原子的原子核碰撞 大角度散射（离子与靶原子质量同数量级） 可能引起晶格损伤（间隙原子和空位）. 电子阻止 与晶格原子的自由电子及束缚电子碰撞 注入离子路径基本不变 能量损失很少 晶格损伤可以忽略,4.1 核碰撞和电子碰撞,4.1.1

10、 核阻挡本领Sn(E) Sn(E)=(dE/dx)n (dE/dx)n -核阻挡能量 损失率.,4.1 核碰撞和电子碰撞,注入离子与靶原子的相互作用 库仑力 F(r)=q2Z1Z2/r2 势能 V(r)=q2Z1Z2/r Z1 、Z2 -核电荷数(原子序数)；r距离。 考虑电子的屏蔽作用 势能 V(r)=q2Z1Z2/rf(r/a) f(r/a)-屏蔽函数；a-屏蔽参数； 最简单(一级近似)：f(r/a)=a/r，则Sn=Sn0=常数 (图4.2)； 更精确：托马斯-费米屏蔽函数(图4.3)。,4.1 核碰撞和碰撞,4.1.2 电子阻挡本领 LSS模型：认为电子是自由电子气，类似黏滞气体。 S

11、e(E)=(dE/dx)e=CV=ke(E)1/2 (dE/dx)e -电子阻挡能量损失率； V - 注入离子速度；C - 常数； ke- 与Z1、Z2、M1、M2有关的常数： 对非晶Si：ke1x103(eV)1/2m-1； 对非晶AsGa：ke 3x103(eV)1/2m-1；,4.1 核碰撞和碰撞,4.1.3 射程粗略估计 LSS模型：引入简化的无量纲的能量参数和射程参数， = (RNM1M24a2)/(M1+M2)2 = E0aM2/Z1Z2q2(M1+M2) N- 单位体积内的原子数； 以d/d 1/2 作图，图4.5,注入离子能量 低能区：核阻挡占主要，电子阻挡可忽略； 中能区：核

12、阻挡占与电子阻挡相当； 高能区：电子阻挡占主要，核阻挡可忽略。,4.1 核碰撞和电子碰撞,临界能量(交叉能量)Ene( Ec): Sn(E)=Se(E)处的能量。 Ene随注入离子原子量 的增加而增大。 轻离子，B: Ene15keV， 重离子，P: Ene150keV。,4.1 核碰撞和电子碰撞,一级近似的Sn0与Se(E)的比较,4.1 核碰撞和电子碰撞,射程R的粗略估算 注入离子初始能量E0Ene： Se(E)为主，则 Rk1E01/2 k1=2/ke 注入离子初始能量E0 Ene： Sn(E)为主，且假设 Sn(E)= Sn0，则 Rk2E0,4.2 注入离子分布,1.总射程R 定义：

13、注入离子在靶内走过的路径之和。 R与E关系：能量总损失率， E0-注入离子的初始能量。,4.2 注入离子分布,2.投影射程XP： 总射程R在离子入射方向 (垂直靶片)的投影长度， 即离子注入的有效深度。 3.平均投影射程RP： 投影射程XP的平均值，具 有统计分布规律几率分 布函数。,4.2 注入离子分布,4.标准偏差(投影偏差)RP反映RP分散程度 (分散宽度)。 5. R, RP, RP间的近似关系 , M1注入离子质量， M2靶原子质量,4.2 注入离子分布,4.2.1 注入离子纵向分布-高斯分布 注入离子在靶内不断损失能量，最后停止在某处；注入 离子在靶内的碰撞是一随机过程；注入离子按

14、一定统计规 律分布。 求解注入离子的射程和离散微分方程，距靶表面为x(cm)处的浓度分布 ，高斯函数 Nmax=0.4NS/RP峰值浓度(在RP处)，NS注入剂量,4.2 注入离子分布,4.2.2 横向效应 横向效应与注入 能量成正比； 结深的30-50； 窗口边缘离子浓度 是中心处的50；,4.2 注入离子分布,4.2.3 沟道效应(ion channeling) 非晶靶：对注入离子的 阻挡是各向同性； 单晶靶：对注入离子的 阻挡是各向异性； 沟道：在单晶靶的主晶 轴方向呈现一系列平行 的通道，称为沟道。 1.2; 1.8 沟道效应显著,4.2 注入离子分布,沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡

15、作用小，因而射 程比非晶靶远的多。 好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 减小沟道效应的途径 注入方向偏离晶体的主轴方向，倾斜圆片，典型值7 提高靶温 增大剂量 注入前预先无定型处理，淀积非晶表面层(SiO2) 在表面制造损伤层,Q 已知:Si晶格间距为0.25nm；初始S(E)=35eV/nm；则 ET=35X0.25=8.75eVEd=15eV，Si不位移； 当E=40keV, Rp1=120nm , S(E)=60eV/nm，则 ET=60X0.25=15eV=Ed，Si位移； 设：每个晶面都有1个Si位移，则在B离子停止前，位移Si为 120nm/0

16、.25nm=480 设：Si位移2.5nm,则损伤体积为 Vdam =(2.5nm)2(120nm)=2.4X10-18cm-3 损伤密度=480/Vdam=2X1020cm-3 (占相应体积中所有原子的0.4%）,例2：As离子，E0=80keV，Rp=50nm，平均S(E)=1.2keV/nm 1个As共产生约4000个位移Si Vdam=(2.5nm)2(50nm)=1X10-18cm-3 损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%),4.3 注入损伤,4.3.3 非晶层的形成 随注入剂量增加，原先相互隔离的损伤区重叠，形成长程无序的非晶层。 临界剂

17、量形成非晶层所需的最小注入离子剂量； 临界剂量与注入离子质量成反比。 靶温靶温越高，损伤越轻。,4.4 热退火,离子注入形成的损伤有： 散射中心：使迁移率下降； 缺陷中心：非平衡少子的寿命减少，漏电流增加； 杂质不在晶格上：起不到施主或受主的作用。 退火目的：消除注入损伤，使注入离子与位移Si原子恢复正常的替位位置激活。 杂质原子必须处于单晶结构中并与四个Si原子形成共价键才能被激活 ，donor (N-type) 或acceptor (P-type),高温热能帮助无定型原子恢复单晶结构. 退火方法：热退火(传统退火)；快速退火。 激活率an: 退火后载流子数p占注入剂量NS的分数 an p/

18、 NS,4.4 热退火,热退火机理： a.无定形层(非晶层)：通过固相外延，使位移原子重构而有序化。无定形是晶体的亚稳态，这种固相外延可在较低温度下发生。 b.非无定形层：高温下，原子振动能增大，因而移动能力增强，可使复杂的损伤分解为简单的缺陷，如空位、间隙原子等。这些简单的缺陷能以较高的迁移率移动，相互靠近时，就可能复合而使缺陷消失。 退火工艺条件：温度；时间；方式(常规、快速)。,4.4 热退火,4.4.1 硅材料的热退火特性 退火机理： 复杂的损伤分解为简单缺陷：空位、间隙原子； 简单缺陷可因复合而消失； 损伤由单晶区向非单晶区通过固相外延再生长得到恢复。 二次缺陷：简单缺陷重新组合，形

19、成新的缺陷。 注入剂量与退火温度成正比。 载流子激活所需温度：低于寿命和迁移率恢复所需温度。,4.4 热退火,4.4.2 硼的退火特性 4.4.3 磷的退火特性 4.4.4 热退火过程的扩散效应 (以上请自学),4.4 热退火,4.4.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing) 常规热退火的缺点 激活率an低； 二次缺陷； 导致明显的杂质再分布； 硅片变形。 RTA机理：利用高功率密度的物质作用于晶片表面，使注入层在短时间内达到高温，以到消除损伤的目的。能量密度1J/cm2,4.4.5 快速退火,高温下, 退火超越扩散； RTA (RTP) 广泛用于注入后退火； RTA 很快 (小于1分钟), 更好的片间(WTW)均匀性, 最小化杂质扩散。 特点： 退火时间短(10-11-102秒)； 注入杂质激活率高； 对注入杂质分布影响小； 衬底材料的电学参数基本不受影响；,4.4.5 快速退火,种类 a.脉冲激光 退火机理：固液相外